大連海事大學(xué)航海儀器GPS小結(jié)

大連海事大學(xué)航海儀器GPS小結(jié)第1頁/共40頁★GPS定位精度：

P碼——1m；CA碼——20~30mCA碼定位精度受SA和AS政策影響。★GPS特點(diǎn)：

全球、全天候、高精度、連續(xù)、近于實(shí)時(shí)的三維

定位與導(dǎo)航功能。1.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（美國）★GPS衛(wèi)星：

24（21+3）顆高軌衛(wèi)星，分布在6個(gè)軌道面內(nèi)，軌道傾角約55度，雙頻發(fā)射，全球范圍內(nèi)可視性良好。第2頁/共40頁2.GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（前蘇聯(lián)）★GLONASS定位精度：

P碼——1m；CA

碼——20~30m

無任何政策影響，不限制民用?！颎LONASS特點(diǎn)：全球、全天候、高精度、連續(xù)、近于實(shí)時(shí)的三維

定位與導(dǎo)航功能?！颎LONASS衛(wèi)星：

25（24+1）顆中軌衛(wèi)星，分布3個(gè)軌道面，軌道傾角約64度，雙頻發(fā)射，全球范圍內(nèi)可視性良好。第3頁/共40頁3.北斗星衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（中國）★2000年發(fā)射2顆地球靜止衛(wèi)星（CEO），

2003年6月正式運(yùn)營。★特點(diǎn)：

雙星有源、區(qū)域性定位導(dǎo)航系統(tǒng)。★北斗衛(wèi)星：

2+1顆地球同步軌道（36000km）衛(wèi)星?！锒ㄎ痪龋?/p>

優(yōu)于20m第4頁/共40頁優(yōu)點(diǎn)：(1)衛(wèi)星不受地理、氣象或其他條件限制，可按需要在各種軌道上配置。(2)覆蓋效率高：只要有少數(shù)幾顆衛(wèi)星就可覆蓋全球。(3)范圍廣：衛(wèi)星導(dǎo)航范圍可從地面、水面、近地空間延伸到外層空間。(4)全天候?qū)Ш剑盒l(wèi)星導(dǎo)航不受氣象及時(shí)間限制。(5)選擇方便：用戶選擇最好的一組衛(wèi)星進(jìn)行高精度三維定位與導(dǎo)航。(6)使用簡便：直接顯示經(jīng)、緯度船位和其他導(dǎo)航數(shù)據(jù)，不需特種圖表。(7)接收效果好：衛(wèi)星發(fā)射的平均功率小。(8)系統(tǒng)功能多：(定位、導(dǎo)航、通信、識(shí)別、授時(shí))抗干擾，保密性強(qiáng)。(9)衛(wèi)星導(dǎo)航儀體積小、重量輕、操作簡便，減輕工作強(qiáng)度。缺點(diǎn)：(10)衛(wèi)星軌道有飄移，需改進(jìn)衛(wèi)星上的設(shè)備，增加擾動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，需地面站精確測定衛(wèi)星的軌道參數(shù)和精確地預(yù)報(bào)。(11)地面工程龐大，設(shè)備昂貴，維修費(fèi)用高，衛(wèi)星壽命短，有些衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不能連續(xù)、實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位或只能區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ弧?12)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還不能為水下運(yùn)載體提供導(dǎo)航。(13)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)易受少數(shù)國家的壟斷和控制，服務(wù)于所設(shè)國家的最高利益；在戰(zhàn)爭中不能為全球提供可靠的導(dǎo)航。1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)：（P112）第5頁/共40頁3.衛(wèi)星的地心直角坐標(biāo)系GPS采用WGS84

坐標(biāo)系格林經(jīng)線零度S（x,y,z）Oxzy東90度GPS定位計(jì)算時(shí)必須進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。（WGS84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成地理坐標(biāo)系）第6頁/共40頁H4.衛(wèi)星覆蓋區(qū)OROH衛(wèi)星R觀測者衛(wèi)星由于對流層影響，若考慮衛(wèi)星的最小仰角，則其覆蓋區(qū)將變小。若衛(wèi)星的高度越高、最小仰角越小，則衛(wèi)星的覆蓋區(qū)越大。cosθ=——R（R+H）第7頁/共40頁第二節(jié)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)置一、GPS地面站1.跟蹤站：接收包括環(huán)境數(shù)據(jù)在內(nèi)的衛(wèi)星的各種信息，并將測定的信息傳送到主控站；所測偽距1.5s更新一次，電離層氣象數(shù)據(jù)

15min平滑一次。2.主控站：收集、評價(jià)數(shù)據(jù)，計(jì)算各衛(wèi)星原子鐘的校正參量、衛(wèi)星歷書、衛(wèi)星星歷、系統(tǒng)狀態(tài)并形成導(dǎo)航信息碼，送注入站；控制和調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，啟用備用衛(wèi)星。3.注入站：地面站或地面天線，將導(dǎo)航信息送給衛(wèi)星。第8頁/共40頁二、GPS導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)1.GPS導(dǎo)航衛(wèi)星☆24（21+3）顆高軌20183km）衛(wèi)星，分布在6個(gè)軌道面上，軌道傾角約55度，地平線

7.5度以上至少可以看到4顆，地平線上至少看到5顆，最多

11顆；運(yùn)行周期約11h58m

（717.88m），約12h。☆雙頻發(fā)射：

L1波段（1575.42MHz），

P碼、CA碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)調(diào)制；

L2波段（1227.60MHz），

P碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)調(diào)制；以后增加L5（1176MHz）☆電源：太陽能、鎘鎳電池☆衛(wèi)星鐘：原子鐘1980.1.6.☆微處理器、存儲(chǔ)器、收發(fā)機(jī)、監(jiān)測傳感器、應(yīng)急通信轉(zhuǎn)發(fā)器、30度波束圓極化天線第9頁/共40頁2.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文1）P碼和CA碼CA碼：低速、短周期的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列碼，（1.023MHz、1ms），測距精度低，協(xié)助捕獲P碼P碼：快速、長周期的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列碼，（10.23MHz、7day），測距精度高，難于捕獲優(yōu)點(diǎn):a.抗干擾

CA（P）碼有良好的自相關(guān)函數(shù)，使其易于在噪聲背景中被識(shí)別；不同的CA（P）碼間有良好的互相關(guān)函數(shù)，則不同的衛(wèi)星信號(hào)間的相互干擾很小。b.碼分多址識(shí)別：CA碼：1025種；P碼：1444種c.偽碼加密

GPS數(shù)據(jù)經(jīng)過CA（P）碼擴(kuò)頻發(fā)射，又需經(jīng)解擴(kuò)提取d.精確測距第10頁/共40頁2）GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文（導(dǎo)航信息）a.衛(wèi)星導(dǎo)航電文的內(nèi)容衛(wèi)星原子鐘的校正參量、衛(wèi)星歷書、衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星識(shí)別標(biāo)志等，主要用于計(jì)算衛(wèi)星的位置及衛(wèi)星鐘差校正。b.衛(wèi)星導(dǎo)航電文的傳輸過程導(dǎo)航數(shù)據(jù)碼（電文）50HZCA碼、P碼調(diào)制L1（或L2）載波調(diào)制發(fā)射計(jì)算衛(wèi)星位置識(shí)別衛(wèi)星、測量信號(hào)傳播時(shí)間運(yùn)載并發(fā)射信號(hào)第11頁/共40頁c.衛(wèi)星導(dǎo)航電文的接收過程L1（或L2）高頻信號(hào)本機(jī)CA碼或P碼（相關(guān)輸出）解調(diào)（濾波）導(dǎo)航數(shù)據(jù)（電文）50Hz可同時(shí)測偽距可計(jì)算出衛(wèi)星的位置第12頁/共40頁TLMHOW數(shù)據(jù)塊I（衛(wèi)星鐘校正）

TLMHOW數(shù)據(jù)塊II（星歷）

TLMHOW數(shù)據(jù)塊II（星歷）

TLMHOW數(shù)據(jù)塊III（歷書）

TLMHOW數(shù)據(jù)塊III（歷書）tyütyü本星tyü更新

/h

所有星更新/注入后6s，10字，30碼/字子幀30s50字1500碼d.衛(wèi)星導(dǎo)航電文的結(jié)構(gòu)54123214365871096s0.6s0.02s30s1幀＝5個(gè)子幀1個(gè)子幀＝10個(gè)字1個(gè)字＝30bit4、5子幀分25頁1、2、3子幀全相同歷書完整歷書幀結(jié)構(gòu)12.5min第13頁/共40頁三、GPS的定位原理用戶地面站衛(wèi)星1.定位原理GPS屬球面導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星的位置根據(jù)衛(wèi)星歷書計(jì)算可得(x,y,z)用戶連續(xù)測到3顆衛(wèi)星的距離，即可得到三個(gè)球面，其交點(diǎn)即為用戶的位置第14頁/共40頁2.偽測距由于衛(wèi)星鐘誤差、用戶鐘誤差、信號(hào)傳播誤差（電離層折射誤差和對流層折射誤差）等的影響，GPS接收機(jī)測得的用戶到衛(wèi)星的距離不是真實(shí)距離，稱為偽距離。用戶到第i顆衛(wèi)星的真實(shí)距離:：X、Y、Z及Xsi、Ysi、Zsi分別是用戶和衛(wèi)星在空間三維坐標(biāo)。第15頁/共40頁三維定位需選四顆衛(wèi)星第16頁/共40頁★偽測距偽測距即為測量偽距，GPS通常采用偽碼法進(jìn)行測距。偽碼法：又稱碼相關(guān)法，即用戶設(shè)備產(chǎn)生一組與衛(wèi)星相同的偽碼，二者進(jìn)行比相，求得用戶到衛(wèi)星的偽距離的方法。偽距測量示意圖：t全“1”狀態(tài)發(fā)射偽碼全“1”狀態(tài)t收到的帶噪聲偽碼t本地跟蹤偽碼tττ第17頁/共40頁3.定位計(jì)算1）導(dǎo)航儀根據(jù)其內(nèi)存儲(chǔ)的GPS歷書，計(jì)算衛(wèi)星的概略位置2）導(dǎo)航儀根據(jù)鍵入的推算船位、時(shí)間、精度幾何因子數(shù)值選擇仰角≥5°、幾何配置最好的4顆或3顆衛(wèi)星3）導(dǎo)航儀對GPS衛(wèi)星進(jìn)行頻率和偽碼的二維搜索，碼同步后轉(zhuǎn)入載波相位跟蹤、檢測和存儲(chǔ)導(dǎo)航電文；4）導(dǎo)航儀根據(jù)所測的偽距、從衛(wèi)星星歷算出的衛(wèi)星位置、及傳播延時(shí)的計(jì)算和修正，計(jì)算出用戶的位置第18頁/共40頁第三節(jié)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀一、GPS接收機(jī)框圖原理CA碼、單頻GPS接收機(jī)變頻與中放相關(guān)檢測偽碼、載波跟蹤鎖相環(huán)路數(shù)據(jù)檢測偽碼與多普勒頻率測量微處理器第19頁/共40頁二、CA碼單頻GPS接收機(jī)的主要技術(shù)性能和功能1.主要技術(shù)指標(biāo)（P118）2.主要功能1）顯示定位和導(dǎo)航數(shù)據(jù)2）設(shè)置參數(shù)：HDOP等3）位置更新約1s，導(dǎo)航數(shù)據(jù)更新3~5s4）顯示衛(wèi)星信息：編號(hào)、仰角等5）存儲(chǔ)、設(shè)計(jì)航線和航路點(diǎn)6）報(bào)警功能：偏航、錨位監(jiān)視、故障等7）接口：輸入輸出第20頁/共40頁三、GPS接收機(jī)的安裝（P118）①>0.5m②>1m③>4m④>1.5m⑨>3m⑩>5m⑤避開雷達(dá)波束（30或40

）⑥>1m⑦距離視鋼柱直徑⑧大小而定（若⑧≤10cm,則>1.5m；若⑧≥30cm，則>3m）第21頁/共40頁四、GPS接收機(jī)的操作方法1.啟動(dòng)的方法1）日常啟動(dòng):日常的關(guān)機(jī)后的啟動(dòng)稱為日常啟動(dòng)。

2）熱啟動(dòng):船位變化不大于100英里或3個(gè)月以內(nèi)進(jìn)行過通電接收，衛(wèi)星導(dǎo)航儀已收集歷書，進(jìn)行啟動(dòng)，稱為熱啟動(dòng)。

3）冷啟動(dòng)冷啟動(dòng)的初始化輸入：①輸入時(shí)間②輸入概略船位③設(shè)置HDOP值，一般置10④輸入天線高度⑤設(shè)置測地系⑥設(shè)置區(qū)時(shí)⑦設(shè)置各種報(bào)警數(shù)值第22頁/共40頁2.GPS定位：3.GPS衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)顯示：定位分類：5.使用GPS的注意事項(xiàng)：（P120）定位顯示：4.GPS導(dǎo)航儀顯示方式：1）標(biāo)繪顯示：航跡標(biāo)繪、船位、航向、航速等2）航路顯示：三維意向圖、導(dǎo)航數(shù)據(jù)等3）操舵顯示：方位標(biāo)尺、航路點(diǎn)方位和距離等4）導(dǎo)航數(shù)據(jù)顯示：船位、航向、航速、時(shí)間等5）用戶顯示：用戶選擇的區(qū)域最佳選星原則5~854顆或3顆1）靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位2）單點(diǎn)定位和相對（差分）定位經(jīng)度、緯度、高度、航跡向、航速等參數(shù)第23頁/共40頁第四節(jié)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀定位誤差一、偽測距誤差：1.衛(wèi)星誤差：2.信號(hào)傳播誤差：3.衛(wèi)星導(dǎo)航儀誤差：導(dǎo)航儀通道間誤差導(dǎo)航儀噪聲量化誤差電離層折射誤差對流層折射誤差多徑效應(yīng)星歷表誤差衛(wèi)星鐘剩余誤差群延遲誤差第24頁/共40頁二、幾何誤差若測距誤差為定值，用戶與衛(wèi)星的空間幾何圖形不同時(shí)，定位的誤差也不相同。精度幾何因子（GDOP）用來描述用戶與衛(wèi)星的幾何關(guān)系對定位誤差影響的大小。GDOP值越小，選用的衛(wèi)星的幾何圖形配置越理想，位置和時(shí)間的偏差值也越小。第25頁/共40頁當(dāng)

δ=1

時(shí)，則：GDOP——

精度幾何因子；PDOP——三維位置精度幾何因子；HDOP——水平方向精度幾何因子；TDOP——時(shí)鐘偏差幾何因子；VDOP——高程精度幾何因子第26頁/共40頁船上HDOP=10時(shí)，定位值可用三、測速誤差四、海圖標(biāo)繪誤差：大地坐標(biāo)系不同引入的誤差水平0.03~0.13m/s垂直0.05~0.21m/sGDOP同樣適用若

P

≤4.3m

HDOP=1.56.5m誤差

CA

≤8.6m

HDOP=1.5

12.9m誤差誤差表達(dá)式：偽測距誤差(σ)×PDOP=位置誤差偽測距誤差(σ)×TDOP＝時(shí)鐘誤差偽測距誤差(σ)×VDOP＝高程誤差偽測距誤差(σ)×HDOP＝水平位置誤差

第27頁/共40頁(1)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀，根據(jù)衛(wèi)星電文定時(shí)更新歷書。若提供的歷書的時(shí)間已隔很久，或定位誤差明顯偏大，則應(yīng)按操作步驟清除歷書及內(nèi)存，并且進(jìn)行初始化操作。(2)不同的HDOP值，有不同的定位精度。若HDOP的實(shí)際值超限，則GPS導(dǎo)航中斷。當(dāng)HDOP太大時(shí)，誤差有發(fā)散趨勢。(3)當(dāng)有多顆衛(wèi)星定位或HDOP、PDOP超限時(shí)，可自動(dòng)或人工選擇GPS星座。最佳選星原則是選擇仰角在5°和85°之間的4顆(3D)或3顆(2D)GPS衛(wèi)星，并且使GPS衛(wèi)星和測者所構(gòu)成的空間幾何圖形,使精度幾何因子GDOP值為最小的一組GPS衛(wèi)星。(4)盡量采用所使用海圖的測地系。GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀自動(dòng)選擇WGS-84坐標(biāo)系。(5)選擇合適的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。定點(diǎn)定位時(shí)，工作狀態(tài)置于“靜止”；慢速航行時(shí)，置于“低狀態(tài)”；高速航行或搖擺劇烈時(shí)，置于“高動(dòng)態(tài)”。工作狀態(tài)不同，濾波作用各異。(6)利用衛(wèi)星狀態(tài)顯示(例如：信號(hào)強(qiáng)度)可自動(dòng)或人工啟用或停用某顆衛(wèi)星。（7）衛(wèi)星每天約提前4min經(jīng)過某一地區(qū)上空。第28頁/共40頁第五節(jié)DGPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)差分GPS（DifferentialGPS）二、DGPS分類：1.偽距差分（米級）2.位置差分（米級）3.相位平滑差分（亞米級）4.載波相位差分（厘米級）5.局域差分6.廣域和廣域增強(qiáng)差分一、DGPS組成：GPS衛(wèi)星網(wǎng)、基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)鏈、用戶偽距修正值及其變化率（雙向）位置修正值及其變化率（雙向）多普勒計(jì)數(shù)或載波相位輔助偽距測量基準(zhǔn)站載波相位和坐標(biāo)送用戶處理若干基準(zhǔn)站組成局域網(wǎng)基準(zhǔn)站網(wǎng)和主控臺(tái)（組合處理）第29頁/共40頁三、DGPS基準(zhǔn)站和數(shù)據(jù)鏈1.DGPS基準(zhǔn)站接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理部分和發(fā)射機(jī):2.數(shù)據(jù)鏈★

DGPS無線電信標(biāo)：最小移頻鍵控（MSK）調(diào)制在比信標(biāo)頻率高的副載頻廣域DGPS無線電信標(biāo)的控制臺(tái)

★完善性：指當(dāng)衛(wèi)星發(fā)生故障（精度下降）時(shí)，系統(tǒng)提供即時(shí)的報(bào)警能力★偽衛(wèi)星：固定基準(zhǔn)站，發(fā)射類GPS信號(hào)★

載波頻率：無線電信標(biāo)頻率（RTCM104推薦）范圍：285kHz~325kHz；常用291.5kHz~318.5kHz★導(dǎo)航電文：差分校正相關(guān)信息（P126）格式：與GPS格式基本相同，區(qū)別子幀長度不固定我國沿海DGPS基準(zhǔn)站信息格式：RTCMSC-104

電文類型：1、3、5、7、9、16

信息速率：200bit/s

總功率：200W，其中DGPS為140W，RBN為60W第30頁/共40頁四、DGPS初始化輸入1.選擇無線電信標(biāo)信號(hào)搜索方式：INT、EXT、OFF2.選擇無線電信標(biāo)（BEACON）：AUTO、MANUAL3.選擇無線電信標(biāo)信號(hào)的發(fā)射速率和頻率：

RATE：50、100、200bit/s

FREQ：信標(biāo)臺(tái)發(fā)射頻率，如301.5kHz五、DGPS的定位精度1.DGPS只能消除和削弱基準(zhǔn)站和用戶GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀的

公共測距誤差，包括：衛(wèi)星鐘剩余誤差、星歷表誤差、電離層和對流層折射誤差、SA與AS誤差2.對于非公共誤差：多徑效應(yīng)、導(dǎo)航儀噪聲、量化誤差、通道間偏差，DGPS不能消除和削弱3.DGPS的差分效果隨著用戶與DGPS基準(zhǔn)站之間的距離增大而逐漸變差,300nmile有效.第31頁/共40頁第六節(jié)GPS在導(dǎo)航中的應(yīng)用一、用GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀導(dǎo)航1.航路點(diǎn)（WAYPOINT）導(dǎo)航2.定點(diǎn)導(dǎo)航（拋錨、丟錨、人落水、特殊事件的位置）3.航線（ROUTE）導(dǎo)航：4.編輯航線：添加、刪除等5.航跡線標(biāo)繪：自動(dòng)、定時(shí)航線設(shè)計(jì)：1）用航路點(diǎn)表中的航路點(diǎn)

2）用航線菜單上的航路點(diǎn)

3）用游標(biāo)（簡單）

4）航跡線作為返航航線（MARK/MOB人工）實(shí)質(zhì)相同第32頁/共40頁二、用GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀報(bào)警三、用GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀標(biāo)繪四、用GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀計(jì)算方位與距離到達(dá)、偏航、速度、時(shí)間、航行距離等DGPS信標(biāo)信號(hào)丟失；報(bào)警類型：短、長、固定1.縮放圖象2.游標(biāo)狀態(tài)和數(shù)據(jù)3.移動(dòng)顯示4.改變航跡標(biāo)繪間隔、停止標(biāo)繪5.刪去航跡6.方位基準(zhǔn)1.兩航路點(diǎn)之間2.始點(diǎn)和終點(diǎn)之間的距離、方位、預(yù)計(jì)航行時(shí)間和到達(dá)時(shí)間真北（TRUE）：電羅經(jīng)；經(jīng)緯度補(bǔ)償磁北（MAG）：磁羅經(jīng)；磁差補(bǔ)償（自動(dòng)、手動(dòng)）第33頁/共40頁2.GPS/DGPS羅經(jīng)3個(gè)GPS天線系統(tǒng)，通過測量GPS載波相位的方法解算航向GPS/DGPS羅經(jīng)穩(wěn)定時(shí)間4分鐘以內(nèi)，隨動(dòng)性能高，靜態(tài)指向精度達(dá)0.6°，耗電少GPS/DGPS羅經(jīng)顯示：

1）刻度盤式羅經(jīng)顯示

2）操舵顯示

3）導(dǎo)航數(shù)據(jù)顯示

4）船首向顯示第34頁/共40頁(1)接收頻率為1575．42MHz±1MHz（L１），接收碼為CA碼。(2)接收通道